Insertan ADN antiguo en animales para estudiar la evolución

Científicos han creado los primeros animales modificados genéticamente que contienen genes antiguos reconstruidos
Insertan ADN antiguo en animales para estudiar la evolución
(FOTO: Especial)
13/01/2017
18:19
Madrid
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Científicos de la Universidad de Chicago han creado los primeros animales modificados genéticamente que contienen genes antiguos reconstruidos.

El objetivo es estudiar los efectos evolutivos de los cambios genéticos que se produjeron en el pasado profundo en la biología y la aptitud de los animales.

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La investigación, publicada en la edición digital de Nature Ecology & Evolution, es un gran paso adelante para los esfuerzos por estudiar las bases genéticas de la adaptación y la evolución. Los hallazgos específicos, que implican la capacidad de la mosca de la fruta para descomponer el alcohol en la fruta podrida, anulan una hipótesis ampliamente mantenida sobre las causas moleculares de uno de los casos clásicos de adaptación de la biología evolutiva.

"Uno de los objetivos principales de la biología evolutiva moderna es identificar los genes que hicieron que las especies se adaptaran a nuevos ambientes, pero ha sido difícil hacerlo directamente, porque no hemos tenido forma de probar los efectos de los genes antiguos en la biología animal", dice uno de los científicos principales del estudio, Mo Siddiq, estudiante graduado en el Departamento de Ecología y Evolución de la Universidad de Chicago.

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"Nos dimos cuenta de que podríamos superar este problema combinando dos métodos recientemente desarrollados: la reconstrucción estadística de secuencias de genes antiguos y el diseño de animales transgénicos", apunta. Hasta hace poco, la mayoría de los estudios de adaptación molecular han analizado las secuencias de genes para identificar "firmas de selección", es decir, patrones que sugieren que un gen cambió tan rápidamente durante su evolución que es probable que la selección haya sido la causa.

Sin embargo, la evidencia de este enfoque es sólo circunstancial porque los genes pueden evolucionar rápidamente por muchas razones, como la casualidad, las fluctuaciones en el tamaño de la población o la selección de funciones no relacionadas con las condiciones ambientales a las que se piensa que el organismo se ha adaptado.

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Siddiq y su asesor, Joe Thornton, profesor de Ecología y Evolución y Genética Humana en la Universidad de Chicago, querían probar directamente los efectos de la evolución de un gen en la adaptación. Thornton ha sido pionero en métodos para reconstruir genes ancestrales, determinando estadísticamente sus secuencias a partir de grandes bases de datos de secuencias actuales, luego sintetizándolas y estudiando experimentalmente sus propiedades moleculares en el laboratorio.

Esta estrategia ha dado grandes perspectivas sobre los mecanismos por los que evolucionan las funciones bioquímicas. Thornton y Siddiq razonaron que al combinar la reconstrucción génica ancestral con técnicas de diseño de animales transgénicos, podrían estudiar cómo afectaron los cambios genéticos que ocurrieron en el pasado profundo a organismos enteros: su desarrollo, fisiología e, incluso, su aptitud.

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LA HIPÓTESIS SOBRE LAS CAUSAS MOLECULARES DE LA TOLERANCIA AL ALCOHOL DE LAS MOSCAS, INCORRECTA

"Esta estrategia de diseño de 'animales ancestralizados' podría aplicarse a muchas preguntas evolutivas --destaca Thornton--. Para el primer caso de prueba, elegimos un ejemplo clásico de adaptación: cómo las moscas de la fruta desarrollaron la capacidad de sobrevivir a las altas concentraciones de alcohol encontradas en la fruta podrida. Nos encontramos con que la sabiduría aceptada sobre las causas moleculares de la evolución de las moscas es simplemente incorrecta".

La mosca de la fruta 'Drosophila melanogaster' es uno de los organismos más estudiados en genética y evolución. En el medio silvestre, 'D. Melanogaster' vive en una fruta podrida rica en alcohol, tolerando concentraciones de alcohol mucho más altas que sus parientes más cercanos, que viven en otras fuentes de alimentos.

Hace 25 años, en la Universidad de Chicago, los biólogos Martin Kreitman y John McDonald inventaron un nuevo método estadístico para encontrar firmas de selección, un sistema que sigue siendo hoy en día uno de los métodos más utilizados en la evolución molecular. Lo demostraron en el gen de la enzima alcohol deshidrogenasa (Adh), el gen para la enzima que descompone el alcohol dentro de las células, de este grupo de moscas.

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Adh tenía una fuerte marca de selección y ya se sabía que las moscas de 'D. Melanogaster' descomponen el alcohol más rápido que sus parientes. Así, la idea de que la enzima Adh fue la causa de la adaptación de la mosca de la fruta al etanol se convirtió en el primer caso aceptado de un gen específico que medía la evolución adaptativa de una especie.

Siddiq y Thornton se dieron cuenta de que esta hipótesis podría probarse directamente utilizando las nuevas tecnologías. Siddiq primero infirió las secuencias de los antiguos genes Adh de justo antes y justo después de que 'D. Melanogaster' desarrolló su tolerancia al etanol, hace unos dos o cuatro millones de años. Sintetizó estos genes bioquímicamente, los expresó y utilizó métodos bioquímicos para medir su capacidad de descomponer el alcohol en un tubo de ensayo.

Los resultados fueron sorprendentes: los cambios genéticos que se produjeron durante la evolución dela mosca 'D. Melanogaster' no tuvieron efectos detectables sobre la función de la proteína. Junto con David Loehlin, de la Universidad de Wisconsin, y Kristi Montooth en la Universidad de Nebraska, ambas en Estados Unidos, Siddiq creó y caracterizó las moscas transgénicas que contenían las formas ancestrales reconstruidas de Adh.

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Los investigadores criaron miles de estas moscas "ancestralizadas", probaron cómo de rápidamente podían descomponer el alcohol y cómo de bien sobrevivieron las larvas y las moscas adultas cuando se criaron en alimentos con alto contenido de alcohol. Sorprendentemente, las moscas transgénicas que llevaban el Adh más reciente no eran mejores a la hora de metabolizar el alcohol que las moscas que llevaban la forma más antigua de Adh.

Aún más sorprendentemente, no eran capaces de crecer o sobrevivir mejor al aumentar las concentraciones de alcohol, por lo que no se cumplió ninguna de las predicciones de la versión clásica de la historia. Los investigadores señalan que no hay duda de que 'D. Melanogaster' se adaptó a las fuentes de alimentos con alto contenido de alcohol durante su evolución, pero no a causa de los cambios en la enzima Adh.

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"La historia de Adh fue aceptada porque la ecología, la fisiología y la marca estadística de selección apuntaban en la misma dirección, pero tres líneas de evidencia circunstancial no son un caso hermético, destaca Thornton. Por eso, queríamos probar la hipótesis directamente, ahora que finalmente tenemos los medios para hacerlo".

jpe

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